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本文介紹了高速公路稱重系統(tǒng)的組成原理和所應(yīng)用到的動(dòng)態(tài)稱重傳感器的分類和實(shí)際選型方法。

計(jì)重收費(fèi)是一種通過安裝在高速公路出口收費(fèi)車道或開放式收費(fèi)站收費(fèi)車道的稱重設(shè)備對(duì)載貨車輛進(jìn)行稱重，并在標(biāo)準(zhǔn)收費(fèi)基礎(chǔ)上對(duì)超載重量加收補(bǔ)償性費(fèi)用的措施。對(duì)載貨車輛按計(jì)重收費(fèi)方式收取通行費(fèi)，能有力遏制對(duì)道路破壞性使用的嚴(yán)重超載運(yùn)輸現(xiàn)象，也是通過經(jīng)濟(jì)手段治理超載運(yùn)輸?shù)拈L(zhǎng)期有效辦法。稱重系統(tǒng)是計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)的重要組成部分，稱重系統(tǒng)的準(zhǔn)確性和可靠性與否，直接關(guān)系計(jì)重收費(fèi)的公平和順利實(shí)施，本文就稱重系統(tǒng)中的關(guān)鍵設(shè)備稱重傳感器進(jìn)行介紹及比較。

一、動(dòng)態(tài)稱重系統(tǒng)構(gòu)成及原理

1、稱重系統(tǒng)主要由稱重傳感器、車輛分離器、輪胎識(shí)別器、地感線圈、控制柜組成。

稱重傳感器：主要完成車軸的稱重、速度檢測(cè)、軸型判斷等工作。

車輛分離器：用來進(jìn)行車輛的分離及提供開始、結(jié)束等信號(hào)。

輪胎識(shí)別器：主要用來檢測(cè)通過車輛每軸的輪胎數(shù)。

地感線圈：主要用來完成測(cè)速、倒車的檢測(cè)，并與紅外線分離器一起對(duì)非車輛以外的物體或人通過時(shí)的判斷，減少出錯(cuò)。

控制柜：處理動(dòng)態(tài)稱重傳感器和線圈送來的信息，經(jīng)過分析和處理得出車輛的載荷信息。

2、系統(tǒng)工作原理

車輛駛?cè)胧召M(fèi)車道，其輪軸依次壓過鋪設(shè)在車道路面中的地感線圈、稱重傳感器、車輛分離器、輪軸識(shí)別器，稱重傳感器將檢測(cè)出每軸軸重、軸型（單軸、聯(lián)軸），輪胎識(shí)別器將檢測(cè)出輪胎類型（單雙胎）信息，車輛分離器可準(zhǔn)確判別車輛是否完全通過。當(dāng)車輛完全離開后，控制處理器將稱重結(jié)果、車型判別結(jié)果等信息傳輸?shù)杰嚨朗召M(fèi)計(jì)算機(jī)。車道收費(fèi)計(jì)算機(jī)依據(jù)計(jì)重收費(fèi)費(fèi)率對(duì)車輛實(shí)行計(jì)重收費(fèi)，并將車輛的載重信息和應(yīng)交納的金額顯示在計(jì)重顯示屏上。從整個(gè)工作原理可以看出，動(dòng)態(tài)稱重傳感器是計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)的關(guān)鍵設(shè)備，稱重傳感器的稱重精度、穩(wěn)定性將直接影響到計(jì)重收費(fèi)系統(tǒng)的稱重精度。

二、稱重傳感器介紹

動(dòng)態(tài)稱重技術(shù)經(jīng)過了三十多年的發(fā)展，各個(gè)不同的廠商開發(fā)了不同的技術(shù)來進(jìn)行動(dòng)態(tài)稱重，因而也出現(xiàn)了各種不同種類的傳感器，根據(jù)原理不同通常可以分為以下幾類：

1、彎板式傳感器：

彎板式傳感器是一種應(yīng)變式傳感器，利用集成在內(nèi)部的應(yīng)變片網(wǎng)，根據(jù)稱重板受壓后產(chǎn)生形變的原理進(jìn)行測(cè)量。彎板傳感器是由在內(nèi)部集成了應(yīng)變片網(wǎng)的金屬板構(gòu)成，為防止長(zhǎng)期潮濕滲透和腐蝕，傳感器表面覆蓋一層高溫硫化橡膠?？梢酝暾募o(jì)錄輪胎的壓力信號(hào)，真實(shí)的測(cè)量輪載值。在目前在高速公路中的高速、低速稱重中有廣泛應(yīng)用。

2、稱臺(tái)式傳感器：

稱臺(tái)式傳感器(由稱重平臺(tái)、壓力傳感器組成，本文中簡(jiǎn)稱“稱臺(tái)式傳感器”)是帶有獨(dú)立的壓力傳感器或剪切式壓力傳感器的平臺(tái)，是通過稱重平臺(tái)將軸載壓力傳遞到壓力傳感器上，進(jìn)行稱量。 這種稱重平臺(tái)形式在傳統(tǒng)的地磅中得到廣泛的應(yīng)用，但由于有過多的機(jī)械結(jié)構(gòu)，因而在動(dòng)態(tài)稱量過程中，車輛的動(dòng)態(tài)行駛產(chǎn)生的不均勻交變沖擊容易損壞平臺(tái)，目前在高速公路中的低速稱重中有廣泛應(yīng)用。

3、共聚化合物式壓電傳感器：

共聚化合物式壓電傳感器是利用共聚化合物的壓電效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的。此種傳感器是一種動(dòng)態(tài)傳感器，只對(duì)壓力的變化產(chǎn)生電勢(shì)信號(hào)。共聚化合物式壓電傳感器是由一個(gè)金屬管以及放置在其中的壓電電纜構(gòu)成，有效長(zhǎng)度通常為1830mm，可擴(kuò)展到3600mm，寬度為20mm，為條狀傳感器，不能一次測(cè)出車輪載荷，通過在測(cè)量期間信號(hào)累加，用積分算法求出載荷。傳感器直接埋入路面，道路(特別是瀝青混凝土路面)的形變對(duì)其影響較大?；炷谅访婧蜑r青路面的溫度影響不同，并且難于補(bǔ)償。由于傳感器設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，其產(chǎn)品價(jià)格相對(duì)較低。在用于車輛分類時(shí)其性能是令人滿意的，但在動(dòng)態(tài)稱重中，其應(yīng)用非常有限。 條形傳感器的使用壽命相對(duì)較短，并且受公路以及安裝質(zhì)量影響較大。 在近幾年中，共聚化合物式傳感器的開發(fā)上取得了許多重大的成果，其性能得到了進(jìn)一步的提高，并且其開發(fā)和研究工作一直在進(jìn)行。

4、 石英式壓電傳感器：

石英式傳感器是利用石英的壓電效應(yīng)進(jìn)行測(cè)量的。壓力使石英晶體產(chǎn)生變化，因而產(chǎn)生和壓力成對(duì)應(yīng)關(guān)系的電勢(shì)。 石英傳感器是一種新型的傳感器，近幾年由于其性能得到較大的提高，目前得到一定的應(yīng)用。石英傳感器也屬于條形傳感器一類，長(zhǎng)度有1m和0.75m兩種，寬度為50mm，高度44mm。和共聚化合物傳感器一樣，石英傳感器也不能一次完整的測(cè)量出輪載，而是通過積分累加進(jìn)行計(jì)算的，但是和共聚化合物傳感器相比較，石英傳感器的溫漂極小，也沒有“鬼軸”現(xiàn)象，低速、高速狀態(tài)下均可進(jìn)行稱量，同時(shí)石英的物理特性比較穩(wěn)定，其靈敏度隨時(shí)間變化較小。石英傳感器的安裝也是采取直接埋入路面的方式，因而也不可避免的受到路面形變的影響，同時(shí)更換時(shí)需要路面施工。

5、電容式傳感器：

電容式傳感器目前有兩種形式，一種是條狀傳感器，另一種是電容網(wǎng)式傳感器。其主要原理是利用電容效應(yīng)，當(dāng)壓力壓在傳感器上，導(dǎo)致兩個(gè)極板間的間距減小，其電容值發(fā)生變化，通過電路轉(zhuǎn)換，進(jìn)行測(cè)量。

條形電容式傳感器與壓力棒在尺寸和安裝形式上是一致的。其基本特性相類似，主要問題是壽命較低。本身精度為±3% RMS。 電容網(wǎng)式傳感器式一種新型的傳感器，其結(jié)構(gòu)為平板式，目前主要用于便攜式稱重設(shè)備。 其它傳感器： 目前除了以上幾種主流傳感器外，一些公司還開發(fā)一些動(dòng)態(tài)稱重傳感器，主要是采用了應(yīng)變片技術(shù)，目前處于研發(fā)階段，因而無法進(jìn)行進(jìn)一步說明。

三、主流傳感器比較

目前在全國(guó)實(shí)行了計(jì)重收費(fèi)的省份，稱重傳感器主要用了彎板式和稱臺(tái)式2種，其它傳感器用于高速公路計(jì)重收費(fèi)方面很少，下面從8個(gè)方面對(duì)這2種稱重傳感器進(jìn)行比較分析。

1、發(fā)展歷史

稱臺(tái)式傳感器是由傳統(tǒng)的汽車衡發(fā)展演變而來，由傳統(tǒng)的地磅稱重逐漸演變?yōu)閷?duì)稱重要求不高，對(duì)設(shè)備體積長(zhǎng)度要求較高的的場(chǎng)合，改為軸重衡器，即對(duì)車輛的每個(gè)軸進(jìn)行稱重，得出數(shù)據(jù)累加得出整車的重量，是由靜態(tài)稱重發(fā)展為低速動(dòng)態(tài)稱重。

彎板式傳感器是一種應(yīng)變式傳感器，利用集成在內(nèi)部的應(yīng)變片網(wǎng)，根據(jù)稱重板受壓后產(chǎn)生形變的原理進(jìn)行測(cè)量。最開始為汽車超載預(yù)檢的高速動(dòng)態(tài)稱重設(shè)備，后來為適應(yīng)公路計(jì)重收費(fèi)場(chǎng)合，研發(fā)改進(jìn)了計(jì)算系統(tǒng)，著重完善低速區(qū)間的稱重檢測(cè)，是由高速動(dòng)態(tài)稱重向低速動(dòng)態(tài)稱重發(fā)展而來。

2、安裝方式

稱臺(tái)式傳感器對(duì)路面的水平度要求高，對(duì)路面破壞大，在路面上必須開挖較深的基坑（深70-80cm）并加固基礎(chǔ)，在將框架用混凝土固定在路面中后，混凝土需凝固和養(yǎng)生，方可安裝稱重平臺(tái)。一套稱重系統(tǒng)的施工周期需20天左右，對(duì)已通車收費(fèi)的車道影響較大。

彎板式傳感器可以沿地面安裝，施工周期短，對(duì)路面破壞小，安裝時(shí)不需重做基礎(chǔ)，只在路面切割寬60cm、深5-6cm的基坑，用專用膠將支撐底板和路面澆注為一體，12小時(shí)后專用膠即完全固化，將彎板安裝在支撐板上即可，一套稱重系統(tǒng)安裝期為5-7天，特別適合已通車收費(fèi)的車道。

3、對(duì)排水的要求

稱臺(tái)式傳感器當(dāng)較深的基坑灌水時(shí)，將影響稱重精度。由于稱重設(shè)備排水管道出口一般低于收費(fèi)廣場(chǎng)排水溝底，還需增加排水井和自動(dòng)潛水泵以保證及時(shí)排水或人工清除。 彎板式傳感器由于本身有防水設(shè)計(jì)，加上是淺層安裝，因此對(duì)排水要求較低。

4、潮濕及尾氣對(duì)設(shè)備壽命的影響

稱臺(tái)式傳感器主要由鋼結(jié)構(gòu)件組成,雖經(jīng)一定的防腐處理,但仍難完全解決潮濕以及汽車尾氣等對(duì)設(shè)備的腐蝕。 彎板式傳感器由于采用整體式傳感器技術(shù)并經(jīng)專用硫化橡膠表面密封和防腐處理，是目前所有傳感器中唯一能做到完全防腐并能持續(xù)浸水300小時(shí)仍正常工作的。

5、使用壽命

彎板式傳感器由于設(shè)備本身無運(yùn)動(dòng)件，因此在無維修的情況下，使用壽命將長(zhǎng)達(dá)十年以上。 稱臺(tái)式傳感器為機(jī)械運(yùn)動(dòng)件，在無維修的情況下，其稱重壓力傳感器一般使用1-2年則必須更換。

6、設(shè)備價(jià)格

稱臺(tái)式傳感器的平均價(jià)格較低，在貨車日流量小的收費(fèi)站使用時(shí)性價(jià)比高。 彎板式傳感器價(jià)格較高。

7、使用性能

秤臺(tái)式重量傳感器由于采用機(jī)械運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，抗沖擊能力差，運(yùn)行一段時(shí)間后會(huì)造成稱臺(tái)變形。當(dāng)稱臺(tái)與稱框存在擦靠現(xiàn)象時(shí)，將影響稱重精度。這種影響主要體現(xiàn)在：對(duì)相同質(zhì)量進(jìn)行計(jì)量時(shí)，正反行程的計(jì)量值不一致。更重要的是，存在擦靠現(xiàn)象會(huì)使得動(dòng)態(tài)修正函數(shù)發(fā)生變化，從而使計(jì)重設(shè)備的動(dòng)態(tài)計(jì)重性能下降,需重新維修和標(biāo)定。 彎板式傳感器由特殊超硬金屬板材做成，無運(yùn)動(dòng)件，能有效解決車輛通過時(shí)剪切力對(duì)稱重精度的影響。能測(cè)出完整軸重信號(hào)，是一種動(dòng)態(tài)式稱重裝置；稱重測(cè)量速度范圍寬，抗沖擊能力強(qiáng)，可重復(fù)性好。

8、運(yùn)行及維護(hù)成本分析

秤臺(tái)式傳感器有運(yùn)動(dòng)件，則主稱臺(tái)和基礎(chǔ)之間必須留有不能密封的間隙，當(dāng)車道內(nèi)的雜物、泥沙、碎石等從間隙中落入基坑時(shí)，將在稱臺(tái)下產(chǎn)生淤泥并影響稱重精度。而將稱臺(tái)吊起清掃基坑后，須重新由法定機(jī)構(gòu)標(biāo)定秤重精度，秤臺(tái)式每隔1-2年必須更換傳感器，每年維護(hù)成本高。

彎板式傳感器采用免維護(hù)結(jié)構(gòu)，日常運(yùn)行無需清理和保養(yǎng)；當(dāng)路面需要維修時(shí)，可方便的將稱重傳感器拆掉，再重新安裝標(biāo)定, 每年維護(hù)成本低。

四、結(jié)束語

稱重系統(tǒng)的總體精度是要靠各個(gè)組成部分（包括各種軟硬件）的分精度來保證的，動(dòng)態(tài)稱重傳感器只是其中的關(guān)鍵設(shè)備，對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的稱重精度有直接影響，在實(shí)際選型時(shí)，還應(yīng)綜合考慮成本、貨車日流量、路面平整度、氣侯條件等因素，以期選到符合工程實(shí)際需求的實(shí)用可靠的傳感器產(chǎn)品。

 

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